机器人原理及控制技术第10章 力控与顺应控制

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第十章 机器人的力控和顺应控
制
ChapterⅩ Force Control and Compliance for
Robot Manipulators
10.1 引言
10.2 通用机器人控制器和控制结构
10.3 通用机器人的动力学
10.4 阻抗控制
10.5 主动刚度控制
10.6 位置和力的混合控制
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10.1 引言（ Introduction ）
工业机器人的控制可大致分为三种形式
位置控制（ Position Control ）
力控（ Force Control ）
顺应控制（ Compliance ）
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10.1.1 位置控制（ Position Contro
l）
位置控制是在预先指定的坐标系上
,对机器人末端执行器（ end effector ）的位置
和姿态（方向）的控制。如图 10-1 所示，末端
执行器的位置和姿态是在三维空间描述的，包
括三个平移分量和三个旋转分量，它们分别表
示末端执行器坐标在参考坐标中的空间位置和
方向（姿态）。因此，必须给它指定一个参考
坐标，原则上这个参考坐标可以任意设置，但
为了规范化和简化计算，通常以
end effec
tor
X
X
Y
Y
Z
Z
图10-1 机器人操作
手
O
机器人的基坐标作为参考坐标。机器人的基坐标的设置也不尽相同，如日
本的 Movemaster －Ex 系列机器人，它们的基坐标都设置在腰关节上，而
美国的 Stanford 机器人和 Unimation 公司出产的 PUM 系列机器人则是以肩
关节坐标作为机器人的基坐标的。
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机器人的位置控制主要有直角坐标和关节坐标两种控制方式。
直角坐标位置控制：是对机器人末端执行器坐标在参考坐标中的位置和姿态的控
制。通常其空间位置主要由腰关节、肩关节和肘关节确定，而姿态（方向）由腕
关节的两个或三个自由度确定。通过解逆运动方程，求出对应直角坐标位姿的各
关节位移量，然后驱动伺服结构使末端执行器到达指定的目标位置和姿态。
关节坐标位置控制：直接输入关节位移给定值，控制伺服机构。
从 70 年代初开始，专家们提出了各种各样的位置控制方法和相应的
控制算法，其中比较有代表性的有：
（1） 解运动位置的控制 RMPC （Resolved Motion Position Control ）
1972 年由 Richard P. Paul 提出机器人关节坐标路径和直角坐标路径两种
轨迹控制方法，其代表作为：
R P Paul. Modeling, Trajectory Calculation and Serving of a Computer Controlled Arm.
Stanford Artificial Intelligence Lab., Stanford University, Stanford, CA. A. I. Memo 177,
Sept. 1972
R P Paul. Manipulator Cartesian Path Control. IEEE Trans. On Sys. Man, Cybernetics,
Vol. SMC-9, Nov.1979, PP.702-711
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（2）解运动速度的控制 RMRC （Resolved Motion Rate Control ）
1969 年由 D. E. Whitney 提出。代表作是：
D E Whitney. Resolved Motion Rate Control of Manipulators and Human, Pros
theses IEEE Trans. on Man-Mach. system. Vol. MMS-10, No.2, June 1969, pp.
47-53
（3）解运动加速度的控制 RMAC ( Resolved Motion Acceleration Control )
1980 年由美籍华人科学家陆养生（ J. Y. S. Luh ）提出。其代表作为：
J Y S Luh, M W Walker, and R P Paul. Resolved Acceleration control of Mech
anical Manipulators. IEEE Trans. on Auto. Control , Vol. AC25, No.3, June 19
80, pp468-474
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（4）解运动力的控制 RMFC ( Resolved Motion Force Control )
1982 年由吴清华（ Wu C. H. ）和 R. P. Paul 提出。其代表作为：
C H Wu and R P Paul. Resolved Motion Force Control of Robot Manipulators. IEEE T
rans. on Sys. Man and Cybernetics, Vol. SMC －12 ，No.3, May/June, 1982
解运动位置的控制 RMPC ，解运动速度的控制 RMRC ，解运动加
速度的控制 RMAC 和解运动力的控制 RMFC 这四种控制方法是机器人运动控
制的经典之作。
现有的通用工业机器人一般只具有位置（姿态，速度）控制能力。
如美国的 Unimation PUMA 系列机器人， CINCINNAT1 －T3 系列机器人， Stan
ford 机器人等，它们的重复定位精度均达到或接近 ±0.1mm 。日本三菱公司的 M
ovemaster －EX 机器人为 ±0.3mm ，高精度的 Adapt 机器人和 Delta 机器人的重
复定位精度达到或接近 ±0.01mm 。所有这些都具有关节位置和直角坐标位置的
控制，且具有专用的机器人语言（如 VAL －Ⅱ）或通用的高级语言（如 BASI
C）编程和示教再现能力。
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10.1.2 力控 ( Force control )
力控是对机器人末端执行器输出力或关节力矩的控制。
较早提出机器人力控的是 Groome ，他在 1972 年将力反馈控制用
在方向舵的驾驶系统中。参见下文：
R C T Groome. Force Feedback Steering of teleoperator System. Mast
er’s Thesis, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Aug. 1972
1974 年， Jilani 将力传感器安装在一台单轴液压机械手上进
行力反馈控制实验。参见下文：
M A Jilani. Force Feedback Hydraulic Servo for Advanced Automatio
n Machine. Master’s Thesis, MIT, Dept. of Mechanical Engineering, 1
974
摘要：

第十章机器人的力控和顺应控制ChapterⅩForceControlandComplianceforRobotManipulators10.1引言10.2通用机器人控制器和控制结构10.3通用机器人的动力学10.4阻抗控制10.5主动刚度控制10.6位置和力的混合控制20241210年月日星期二智能与控制工程研究所210.1引言（Introduction）工业机器人的控制可大致分为三种形式位置控制（PositionControl）力控（ForceControl）顺应控制（Compliance）20241210年月日星期二智能与控制工程研究所310.1.1位置控制（PositionControl...

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